Радионуклиды космического происхождения

Космические лучи галактического происхождения приходят на Землю из глубин Вселенной, и только некоторая их часть рождается при солнечных вспышках. Основные источники галактических космических лучей — вспышки сверхновых звезд и пульсары.

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят электроны, протоны (~ 90%) и а-частицы (~7%), а также ядра некоторых лёгких элементов. Энергия протонов первичного космического излучения колеблется в широком диапазоне от 1 до ю5 МэВ. Это — первичное космическое излучение. Оно не относится к существенным источникам излучения.

Входя в атмосферу, излучение взаимодействует с атомами азота, кислорода, аргона. Первичное излучение ослабляется в результате ядерных реакций, причём одна первичная частица с высокой энергией (>юо ТэВ) вызывает ливень, из десяти поколений реакций, сопровождающихся рождением миллионов новых частиц. Вторичные частицы обладают высокими энергиями и вызывают новые ядерные реакции, т. е. формируется каскад реакций с образованием атмосферных ливней (вторичное космическое излучение). На высоте 25 км и выше (в стратосфере) преобладает первичное космическое излучение, а ниже в тропосфере (высота 10*15 км) — вторичное. Часть протонов Солнечного ветра вступает в верхних слоях атмосферы в ядерные реакции, продукты которых — нейтроны — термолизуются в атмосфере. Поток тепловых нейтронов составляет величины ~ю част/с-м².

Образование новых ядер происходит в верхних слоях атмосферы. В нижних слоях их поток сильно ослабляется за счёт ядерных взаимодействий. На уровне моря этот поток весьма мал. Преобладание в ливневых потоках л-мезонов (-80%, остальное — К-мезоны) сопровождается быстрым распадом нейтральных пионов на два у-кванта с последующим образованием электрон-позитронных пар, комптоновских электронов и новых уквантов. При достижении вторичными электронами энергии 77 МэВ и преобладании ионизационных потерь процесс каскадных распадов прекращается. Заряженные пионы могут участвовать в столкновениях с ядрами, в противном случае они распадаются с испусканием заряженных р-мезонов. Часть мезонов достигает поверхности Земли и составляет на уровне моря основную часть космического излучения. Величина суточных вариаций космического излучения не превышает 1,5%, сезонные колебания в умеренных широтах достигают 3%, в высоких широтах — 5%.

Мощность вторичного космического излучения у поверхности Земли изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря: чем выше расположена территория, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соответственно, выше мощность вторичного космического излучения. Это явление называется барометрическим эффектом. Широтный эффект заключает в увеличении интенсивности космических лучей при перемещении точки наблюдения от экватора к полюсам.

Мощность дозы космического излучения в воздухе на уровне моря равна 32 нЗв/час и формируется в основном мюонами. Для нейтронов на уфовне моря мощность поглощенной дозы составляет о.8 нЗв/час, а мощность эквивалентной дозы 2.4 нЗв/час. Мощность эффективной дозы, вызванной ионизирующей компонентой космического излучения на открытом воздухе на уровне моря, составляет на экваторе 0,26 мЗв/год, в северных широтах — 0,29 мЗв/год. В пределах до 10 000 м над уровнем моря мощность дозы космического излучения через каждые 1500 м высоты удваивается. На высоте 4000 м эффективная эквивалентная доза возрастает в.

6,6 раза. На высотах 10*20 км она изменяется в диапазоне 1,8*8 сЗв/год. Еще более интенсивному, хотя и непродолжительному облучению подвергаются экипажи и пассажиры трансконтинентальных авиалайнеров, летящих на высоте 12 000 м, где мощность дозы облучения за счёт космических лучей возрастает в 170 раз (на высоте 20 000 м — в 430 раз). Коллективная эффективная доза от авиаперевозок достигает 2000 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире ~o, ooi мЗв/ год, а в США 0,01 мЗв/год.

Природные радионуклиды, генерируемые компонентами космического излучения, образуются в результате многочисленных и идущих постоянно ядерных реакций с высокоэнергетическими фотонами, ионами и элементарными частицами (в первую очередь — нейтронами). Космогенные радионуклиды от изначально существовавших (U, Th, ⁴°К и др.) отличаются значительно меньшим периодом полураспада и довольно постоянным качественным и количественным составом.

Космогенные радионуклиды постоянно возникают в стратосфере и верхней тропосфере (а частично и в литосфере) за счёт реакций первичного и вторичного космического излучения (протонов и нейтронов) с ядрами стабильных атомов, присутствующих в воздухе (азот, кислород, аргон и др.). Максимальные концентрации достигаются на высоте 15 км. Скорость образования радионуклидов растёт экспоненциально до некоторой высоты, а затем резко падает из-за разрежения атмосферы и ухода нейтронов из её верхних слоёв в космическое пространство. В среднем -70% космогенных радионуклидов образуется в стратосфере и 30% - в топосфере.

Самыми важными реакциями являются реакции взаимодействия космических нейтронов с азотом. Под действием нейтронов протекают реакции ¹4Щп, рУ*С (в атмосфере образуется 3,4-ю²⁶ атом/г) и ¹⁴N (p, 2a)⁷Be. Скорость образования ⁷Ве (53 дн, (3-излучение, п%, Е_макс=о, 39 МэВ) в воздушном столбе с площадью основания 1 см² составляет -3000 атом/сут, его концентрация в приземном слое воздуха составляет 12 атом/л. В реакции ¹4N (n, 3H)¹²C идёт генерация трития в атмосфере.

С кислородом воздуха также происходят многочисленные ядерные реакции с участием компонентов космического излучения. Примерами являются реакции: ^{, 6}0(р, зр)^{, 4}С и реакция скалывания с образованием ^{, 0}Ве (i, 6-io⁶ л, (3-излучатель, ?_Макс=о, 55 МэВ, слабое у-излучение). Скорость образования ¹⁰Ве в атмосфере 0,08 ат/(см²-с), время пребывания в атмосфере ~1 год, выпадает с осадками (наибольшее количество — в средних широтах).

В результате ядерных реакций образуются зн, ⁷Ве, ¹⁰Ве, ¹⁴С, ²²Na, з²Р, 35S, 35С1, збС1 и др. Из них только четыре (зН, ⁷Ве, ^{, 4}С и ²²Na) формируют дозовые нагрузки на человека за счёт внутреннего облучения (эти изотопы поступают с пищей в организм человека или животного).

Из космогенных радионуклидов наибольший вклад в облучение вносят (3-активные изотопы: тритий, который превращается в тритированную воду и с осадками выпадает на земную поверхность, участвуя в круговороте воды; ¹⁴С — вместе с обычным С0₂ вовлекается в биотический круговорот через фотосинтез; ⁷Ве (53 дн) — с дождевой водой поступает в растения и далее с зелёными овощами — в организм животных и человека; ²²Na (2,6 л) присутствует в биосфере в значительно меньшем объёме.

Космогенные радионуклиды создают определенную концентрацию в воздухе и в дождевой воде, а также поглощенные дозы в отдельных органах и тканях. Создаются индивидуальные дозы -0,015 мЗв/год (1% от естественного радиационного фона). В связи с относительным постоянством космического потока над земной поверхностью годовые дозы облучения за счёт них являются весьма однородными в различных регионах Земли.

Табл. 3. Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека и создаваемая ими радиационная доза._.

Табл. 4. Дозы, поглощенные в отдельных органах и тканях, от космогенных радионуклидов.__.

На Землю ежедневно выпадает -15 000 т радиоактивного метеоритного вещества, что вносит вклад в природный радиационный фон.